DE2837730A1

DE2837730A1 - Digital-analog-umsetzer

Info

Publication number: DE2837730A1
Application number: DE19782837730
Authority: DE
Inventors: Daniel Azzis; Francois Xavier Delaporte
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-08-30
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2837730C2; AU3857078A; JPS5455159A; CA1130921A; IT1159127B; FR2404957B1; IT7828122A0; JPS5839418B2; AU518022B2; FR2404957A1; US4231020A; GB1584502A

Description

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk N.Y., 10504

ker/zi ,Digital-Analog-Umsetzer

Die Erfindung betrifft einen Digital-Analog-Umsetzer ent-■ sprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere soll dabei ein Digital-Analog-Umsetzer in vollständig mono-'lithischer Bauweise betrachtet werden, der sich auf einem ,Modul ohne außenliegend untergebrachte zusätzliche Bauteile verwirklichen läßt. Die Erfindung beleuchtet des weiteren [die Verwendung dieses Umsetzers für einen Analog-Digital-Umsetzer.
i

iüer Digital-Analog-Umsetzer nach der vorliegenden Erfindung enthält gewichtete Stromquellen, deren Anzahl der Bitzahl ■der Worte gleicht, die mit dem Umsetzer verarbeitet werden ,können. Jede dieser Stromquellen ist einem Schaltglied !zugeordnet, dem jeweils ein Bit des umzusetzenden Wortes als Steuersignal zugeführt wird. Entsprechend dem zugeordneten Bitwert wird der von der jeweiligen Quelle gelieferte jStrom entweder zu einem Summierwiderstand oder zu einem !Ableitungswiderstand geleitet.

Digital-Analog-Umsetzer dieses Ausführungstyps sind nach jdem Stande der Technik wohlbekannt. Dazu möge auf die folgenden Literaturstellen hingewiesen werden: "A Complete Monolithic 10-b D/A Converter" von D. J. Dooley, Jim IEEE Journal of Solid State Circuits, Band Sc. 8, Nr. 6,

jvom Dezember 1973 veröffentlicht.

Französiche Patentanmeldung 75 27557 von Analog Devices

!incorporated, am 9. September 1975 angemeldet.

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' Die Konverter nach den beiden vorgenannten Literaturstellen j • sind der Ausführungsart, die gewichtete Ströme entweder zu I einer Summierleitung führt oder nach Erde ableitet, und , zwar unter Steuerung durch die Bits des jeweils umzusetzenden Wortes. Der Umsetzer nach Dooley, der vollintegriert aufgebaut werden kann, läßt nur die Verarbeitung von Worten | mit 10 Bits plus Zeichen zu und benötigt verhältnismäßig hohe '' . Spannungen von +12 bis +18 Volt. - Der Umsetzer nach der genannten Patentanmeldung kann Worte mit 12 Bits verarbeiten, ■ ist jedoch etwas unübersichtlich. Des weiteren gibt er nur : Stromwerte ab; wenn ein Spannungsausgang gewünscht wird, muß erst ein Ausgangsverstärker zugefügt werden, der wiederum die äußeren Abmessungen vergrößert und die Antwortgeschwin- ; digkeit bei der Verarbeitung verkleinert. Ein solcher Ver-¹ stärker ist auch für den Umsetzer nach Dooley erforderlich, ist dabei jedoch integriert vorgesehen.

Beide Ausführungsarten weisen Antwortzeiten und Genauigkeiten auf, die für viele Anwendungen zufriedenstellend ! sind; für manche Anwendungen können sie jedoch nicht zufrie-J denstellend sein. Insbesondere dann, wenn eine Antwortzeit ' von weniger als eine Mikrosekunde gefordert ist. ι

I Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines monolithisch ausführbaren Digital-Analog-Umsetzers j mit kleinen äußeren Abmessungen; es soll im übrigen ein ¹ sehr genauer Digital-Analog-Umsetzer mit kurzer Antwortzeit ¹ ermöglicht werden; des weiteren soll der Umsetzer möglichst j wenig aufwendig sein; er soll auch brauchbar sein für einen j Analog-Digital-Umsetzer, der mit aufeinanderfolgenden Nähe-' rungsschritten arbeitet.

ι Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 gekenn- ^: zeichnet; vorteilhafte Ausgestaltungen und seine Verwenj dung für einen Analog-Digital-Umsetzer sind in den Unterj ansprüchen beschrieben.

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Ein umsetzer nach der vorliegenden Erfindung setzt 12 Bits lange Worte mit Antwortzeiten von w/emiger als einer Mikro- ^: Sekunde zufriedenstellend um.

; Sein Ausgangssignal weist maximal nur einen seiir kleinen linearen Fehler auf, der im ungünstigsten Falle halb so groß ist wie das geringstwertige Bit bei beliebigen 8 aufeinanderfolgende Bits langen Gruppen. Des weiteren sind seine äußeren Abmessungen, obwohl er einen Spannungsausgang aufweist, sehr eingeschränkt, so daß er schließlich auf einem Modul mit Kantenlängen von 1,25 cm untergebracht werden kann. Dieser Vorteil wird erzielt unter Vorkehrung des auf dem Modul mit vorsehbaren Ausgangswiderstandes, ohne einen Verstärker, wie er normalerweise bei Umsetzern nach dem Stande der Technik zur Umwandlung eines Ausgangsstromes in eine Ausgangsspannung üblich ist, zu benötigen.

Der Umsetzer nach der vorliegenden Erfindung umfaßt 12 ge-' wichtete Stromquellen, die 12 zugehörigen Schaltgliedern zugeordnet sind. Jedes Schaltglied wird durch ein Bit des umzusetzenden Wortes gesteuert, wobei das höchstwertige j Bit dem Schaltglied für den größten Strom zugeführt wird. j Beim beschriebenen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird der von der jeweiligen Stromquelle abgegebene Strom zu einer Ausgangssummierleitung geführt, wenn das das Schaltglied steuernde Bit null ist. Wenn das Bit eins ist, wird der Strom auf eine Ableitung geführt.

Die aus je einer Stromquelle und einem Schaltglied bestehenden Einheiten sind in zwei Gruppen verschiedenen Aufbaus unterteilt. Die Genauigkeit der Ströme, die den höherwertigen Bits zugeordnet sind, muß selbstverständlich auch sehr groß sein, da sie den größten Anteil bei der Bildung des analogen Ausgangswerts beitragen. Entsprechend umfaßt

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die erste Gruppe TOn Stromquellen mit Schaltgliedern fünf I genaue Stromquellen und fünf geeignete Schaltglieder einer ersten Aosführungsart und die zweite Gruppe wenigstens sieben weniger genaue Stromquellen, die somit einfacher gestaltbar sind und Schaltgliedern eines zweiten Ausführungstyps zugeordnet werden können, der ebenfalls weniger genau, jedoch schaltsciinell und klein in den äußeren Dimensionen ist. Diese Einteilung in zwei Gruppen gewährleistet einen günstigen Kompromiß zwischen gegensätzlichen Forderungen: große Genauigkeit und Geschwindigkeit, aber kleine äußere Abmessungen. Die Kontinuität zwischen den Strömen, die durch die beiden . Gruppen abgegeben werden, und ihre Kalibrierung werden durch drei Hilfsquellen gewährleistet, nämlich eine Leitquelle für die höheren Stromwerte, eine Ankopplungsquelle und eine Leitquelle für die geringerwertigen Ströme, und zwei Sätze ^! von Kalibrierkreisen, deren erster für die höherwertigen Stromkreise und deren zweiter für die geringerwertigen Stromkreise vorgesehen ist, wobei die Leitquelle für die ;

ί niedrigeren Stromwerte mittels der Leitquelle für die ; höheren Stromwerte über die Ankopplungsquelle gesteuert ί wird. !

Des weiteren enthält der Umsetzer einen Ausgangswiderstand, dessen ein Anschluß mit der Ausgangssummierleitung verbunden ist, und einen Ableitungswiderstand, dessen ein Anschluß mit der Ableitung verbunden ist. Die anderen Anschlüsse dieser Widerstände sind mit einer Bezugsspannungsquelle V„,_p verbunden, die ebenfalls auf dem gleichen Modul untergebracht ist. Die Ausgangs- und Ableitungswiderstände und die Kalibrierwiderstände, die mit den Schaltkreisen verbunden sind, die die höherwertigen Ströme kalibrieren, sind einer neben dem anderen dicht gepackt und dazu aufeinander abgeglichen. Die Verhältnisse dieser Ausgangs-, Ableitungs- und Kalibrierwiderstände zueinander sind so bestimmt, daß sie einen Dynamikbereich des Ausgangssignals von +V,™-, bis ^Vpgw beherrschen.

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Entsprechend der vorliegenden Erfindung enthält der Umsetzer :zwei zusätzliche Steuervorkehrungen, die als "Durchlaß " und "Sperren" bezeichnet werden mögen. Der Zweck der Durchlaßsteuerung ist es, die von sämtlichen Quellen abgebbaren ; Ströme zur Ausgangssummierleitung zu zwingen; unabhängig davon, welche Eingangswertanordnung gerade anstehen möge. Der Zweck der Sperrsteuerung ist es, sämtliche vorgesehenen Ströme gegebenenfalls auf die Ableitung zu richten.

\ Diese beiden Steuerungsvorkehrungen sind insbesondere dann ■ von Vorteil, wenn der Umsetzer nach der vorliegenden Erfin- ! dung in einem Analog-Digital-Umsetzer des schrittweisen

Näherungstyps verwendet wird. Konverter dieses Typs enthali ten grundsätzlich einen Vergleicher, der das umzusetzende

Analogsignal mit schrittweise erzeugten Bezugspegeln ver-' gleicht. Diese Bezugspegel können mittels eines Digitali Analog-Konverters der behandelten Art erzeugt werden. I

j Solche Einrichtungen sind nach dem Stande der Technik wohlbekannt. Dazu möge auf die Seite 360 des Buches "Analog to Digital and Digital to Analog Conversion Technique" von D. F. Hoeschele Jr. im Verlag John Wiley and Sons, Inc. hingewiesen werden.

i Um eine gute Genauigkeit insbesondere in der Gegend von null zu erzielen, werden nach dem Stande der Technik zwei Digital-Analog-Umsetzer benutzt: ein erster Umsetzer zur Erzeugung der positiven Bezugspegel und ein zweiter zur Erzeugung der negativen Bezugspegel. Wenn der Digital-Analog-Umsetzer

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nach der vorliegenden Erfindung in einem solchen Fall verwendet wird, dann dient das Vorzeichenbit der umzusetzenden Bitanordnung als Steuermerkmal für Durchlaß oder Sperren. Wenn das Vorzeichenbit eine positive Zahl kennzeichnet, dann wirkt die Sperrsteuerung auf den zweiten Umsetzer und der erste arbeitet normal. Wenn das Vorzeichenbit eine negative Zahl kennzeichnet, dann wirkt die Durchlaßsteuerung auf den ersten Umsetzer, während der zweite normal arbeitet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild des Umsetzers nach der

vorliegenden Erfindung. Fig. 2 illustriert die erste Gruppe von Stromquellen

für die höheren Stromwerte. Fig. 3 zeigt die zweite Gruppe von Stromquellen für die

niedrigeren Stromwerte.

. Fig. 4 zeigt die erste Gruppe von Schaltgliedern. ' Fig. 5 zeigt die zweite Gruppe von Schaltgliedern. '. Fig. 6 illustriert die Kalibrierschaltkreise für die

höheren Stromwerte.
' Fig. 7 illustriert die Kalibrierschaltkreise für die

niedrigeren Stromwerte.

Fig. 8 erläutert einen stabilisierten Bezugsspannungs- ; generator für V^p.

Fig. 9 zeigt die Verwendung zweier Digital-Analog-Umsetzer nach der vorliegenden Erfindung für einen Analog-Digital-Umsetzer.

Anhand der Fig. 1 soll das Grundprinzip der Erfindung erläutert werden.

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Ein Umsetzer der betrachteten Art enthält, wie bereits ausgeführt wurde, gewichtete Stromquellen, deren Gesamtzahl ■ gleich der Bitzahl der umzusetzenden Worte ist, nämlich zwölf, plus eine dreizehnte Quelle. Diese dreizehnte Quelle ist nicht unbedingt erforderlich; ihre Aufgabe wird später beschrieben. In der Fig. 1 sind nur zwei dieser Quellen dargestellt, nämlich die für das werthöchste Bit, die Quelle 1-1, und die Quelle 1-12 für das wertniedrigste Bit. Das : Verhältnis der aufeinanderfolgend vorgesehenen Ströme ist jeweils 2; d.h., wenn die Quelle 1-12 die Stromeinheit I liefert, dann muß 1-1 einen Strom 1x2 abgeben.

Ein Schaltglied 2 ist jeder der einzelnen Stromquellen zugeordnet; so das Schaltglied 2-1 der Quelle 1-1 und das Schaltglied 2-12 der Quelle 1-12.

Die Anordnung 4 mit den Stromquellen und den Schaltgliedern ist in zwei Gruppen 4-1 und 4-2 unterteilt. Die erste Gruppe 4-1 umfaßt die fünf Stromquellen und Schaltglieder der ! ersten fünf höchstwertigen Bits und die zweite Gruppe 4-2 umfaßt die sieben Stromquellen und Schaltglieder der anderen sieben niedrigerwertigen Bits und eine dreizehnte Quelle mit dem zugehörigen Schaltglied.

Jede dieser Gruppen enthält zusätzliche Stromquellen; so z. B. eine Leitquelle 5 zur Steuerung der höherwertigen Ströme, eine Ankopplungsquelle 6 und eine Leitquelle 7 für die Steuerung der niedrigerwertigen Ströme. Die Größen und Funktionen der durch diese Quellen abgegebenen Ströme werden

später erläutert.

j ι

Der Umsetzer enthält des weiteren zwei Kalibrierschaltkreise, deren erster aus den Schaltkreisen 12 und z. T. 8 und deren zweiter aus dem Schaltkreis 9 besteht. Die Aufgabe des Schaltkreises 8 ist andererseits die überführung der Summe

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der durch die gewichteten Stromquellen abgegebenen Ströme in eine Spannung an der Ausgangsklemme 1O. Der Schaltkreis 9 ist der iKalibrierkreis für die niedrigerwertigen Ströme« Der Schaltkreis 8 ist einerseits über eine Leitung 11 mit der Leit-geelle 5 über den Kalbrierschaltkreis 12 verbunden, i Die Aufgabe des Kalibrierkreises 12 ist die Bereithaltung "eines faktischen Erdpotentials über eine Verbindung 13 und : die Abgabe des kalibrierten Stroms für die Leitquelle 5. Der Schaltkreis 8 ist des weiteren über Leitungen 14 und 15 mit den Schaltgliedern 2-1 bis 2-12 verbunden. Der Schaltkreis 8 enthält vier Widerstände R1 bis R4. Jeweils ein Anschluß der Widerstände R3 und R4 ist mit den Leitungen 14 bzw. 15 verbunden und die entgegengesetzten Anschlüsse mit einer Verbindung 16, über die die Bezugsspannung Vp„„ vom Generator 17 zugeführt wird, der auf dem gleichen Modul untergebracht ist.

Die Widerstände R1 und R2 sind parallel zwischen den Verbindungen 13 und 16 vorgesehen.

Der Kalibrierkreis 9 für die geringerwertigen Ströme ist : in Fig. 1 schematisch als ein Stromspiegel mit den beiden ¹ Transistoren T1 und T.2 dargestellt, deren Emitter mit zwei

■ Widerständen R5 bzw. R6 verbunden sind. Dieser Schaltkreis ; ist in Einzelheiten in der Fig. 7 dargestellt. Die zweiten j Enden der Widerstände sind wiederum mit der Verbindung 16

^! verbunden. Der Transistor T1 ist als Diode geschaltet mit i - -

■ verbundener Basis und Kollektor; die Basis des Transistors

'-- T1 ist des weiteren mit der Basis des Transistors T2 verj bunden und sein Kollektor mit der Ankopplungsquelle 6 über ι die Leitung 18. Der Kollektor des Transistors T2 ist mit i der Leitquelle 7 für die niedrigerwertigen Ströme über* die !Leitung 19 verbunden. Infolgedessen ist der über die Leitung 19 geführte Strom gleich dem Strom über die Leitung : 18, mit dem Verhältnis R5/R6 multipliziert.

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Der Schaltkreis 12 gemäß Fig. 1 enthält zwei Transistoren T3 und T4. Der Transistor T3 ist wiederum als Diode geschaltet mit Verbindung zwischen Basis und Kollektor. Sein Emitter ist mit Erde verbunden und sein Kollektor mit einem Stromwert belastet, der dem von T4 gleicht. Die Basis des Transistors T3 ist mit der Basis des Transistors T4 verbunden, dessen Kollektor wiederum mit der Quelle 5 und dessen Emitter mit der Verbindung 13 verbunden ist. Entsprechend ist die Spannung an der Verbindung 13

~^VBE T3 ^{+ V}BE T4*

Darin sind V__E _₃ und V . die Basis-Emitterspannungen der Transistoren T3 bzw. T4.

Wenn die Transistoren T3 und T4 gut aufeinander abgestimmt sind, dann ist das Potential an der Verbindung 13 null. Es ist jedoch zu beachten, daß zusätzlich Kalibrierelemente j vorgesehen sind, die anhand der Fig. 6 noch beschrieben werden sollen.

Die Funktionen der Schaltkreise gemäß Fig. 1 sollen nun erläutert werden.

Jedes der Schaltglieder 2-1 bis 2-12 ist mit drei Steuereingängen versehen, über einen dieser Steuereingänge wird jeweils ein Bit des umzusetzenden Worts zugeführt und über die beiden anderen Eingänge gegebenenfalls Durchlaß- oder Sperrsteuersignale. Die Aufgabe dieser beiden letztgenannten Eingänge ist es, den über das jeweilige Schaltglied geführten Strom entweder zur Summierleitung 14 oder zur Ableitung 15 zu zwingen. Im übrigen wird das Schaltglied 2-1 ansonsten durch das höchstwertige Bit und das Schaltglied 2-12 durch das geringstwertige Bit gesteuert.

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j Wenn die Durchlaß- und Sperrsteuerung nicht eingeschaltet j sind, dann gehorchen die Schaltglieder nur dem jeweils anliegenden Bit; infolgedessen wird der zugeleitete Stromwert bei Bitwerten null zur Ausgangssummierleitung 14 und bei Bitwerten eins■zur Ableitung 15 geführt.

Wenn die Durchlaßsteuerung eingeschaltet und die Sperrsteuerung ausgeschaltet ist, dann werden die Ströme sämtlicher Stromquellen zur Leitung 14 geführt; völlig unabhängig davon, welche Bits auch an den Einzeleingängen liegen sollten.

Im Gegensatz dazu werden, wenn die Durchlaßsteuerung aus- ^: geschaltet und die Sperrsteuerung eingeschaltet ist, sämt- ; liehe Ströme zur Ableitung 15 geführt; wiederum unabhängig von den Bitwerten, die an den Einzeleingängen anstehen.

Beim betrachteten Ausführungsbeispiel dient die Quelle 5, die für die höherwertigen Stromquellen vorgesehen ist, als Stromquelle, die einen dem Strom der Quelle 1-2 entsprechen-

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den Stromwert, nämlich 1x2 , liefert. Die Quellen 1-1

bis 1-5 und die Quelle 6 sind von der Quelle 5 abhängige Quellen und liefern in ihrer Gesamtheit die übrigen höherwertigen Ströme für die Anordnung. Die Quelle 5 gibt einen Strom ab, der dem der Quelle 1-4 entspricht, nämlich I₅ = I χ 2⁸.

Die Quelle 7, die die Leitquelle für die niedrigerwertigen abhängigen Stromquellen 1-7 bis 1-12 ist, ist so ausgelegt, daß sie einen Strom liefert, der dem der Quelle 1-6 gleicht. Dazu ist das Widerstandsverhältnis R5/R6 als 1/4 gewählt,

womit der Strom über die Leitung 19 den Wert 1x2 x2 =1x2 annimmt, welcher dem se Quelle 6 zu liefernden Stromwert entspricht.

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Es sollte beachtet werden, daß die für die Quellen 5, 6 und 7 angegebenen Stromwerte für das betrachtete Ausführungsbei-

i spiel der Erfindung gelten und daß diese Werte auch andere sind, wenn andere Widerstandsverhältnisse für die Widerstände

! R1 bis R6 vorgesehen werden.

, Der Widerstand R3 dient zur Summierung aller Ströme; er ■ ist zwischen der Spannung +V_n^- und dem Ausgang 10 angeordnet. Die maximal mögliche Ausgangsspannung ist gleich V_n^-, wenn kein Strom in der Ausgangssummierleitung 14

fließt. Das Widerstandsverhältnis R1/R4 wird so gewählt, daß der Dynamikbereich des Ausgangssignals 2V_RFp entspricht, wobei sich eine minimale Ausgangsspannung -V^™ '. ergibt, wenn alle Ströme im Widerstand R3 summiert laufen.

] Es soll nun erläutert werden, wie das gewählte Widerstandsverhältnis die Dynamik für das Ausgangssignal bestimmt.

Der Schaltkreis 12 führt der Leitquelle 5 einen Kalibrierstrom zu.

¹CAL ⁼ 0^R1+R2) / ^R1R2] ^VREF Wenn R1 gleich R2 gleich R/-,_AT gewählt wird, ergibt sich:

¹CAL ^{= 2V}REF /^RCAL·

Die Dynamik des Aus gangs Signa Is von 2V-.„„ entspricht R3 x X„ may' wobei I_g ,^_x der maximale Ausgangsstrom ist.

Wenn also der Strom I_CAL so ausgelegt ist, daß er der Quelle 1-2 entspricht, dann ist er gleich dem Strom I_g geteilt durch vier. Um die Dynamik des Ausgangssignals 2V_n^- zu erreichen, muß R3 = R_ri7._T/4 sein.

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; Der Widerstand R4 wird gleich dem Widerstand R3 gewählt, j womit im Widerstand Έ.4 der komplementäre Strom zu dem durch ■ S3 aeisiammiert wird.

Die Spannwagen an den Widerständen R3 und R4 sind jeweils _: in Opposition- Dies 1st sehr förderlich für die Beschleunigung der Schaltgeschwindigkeit der Ströme für die höheren

; Bitstellen-

Anhand der Fig. 2 sollen nunmehr die Stromquellen 5, 1-1 bis 1-5 und 6 für die höherwertigen Ströme näher erläutert werden. Die einzelnen Stromquellen führen wieder dieselben Bezugsziffern wie in der Fig. 1.

Alle einzelnen Stromquellen außer 1-5 sind mit gleichartigen Schaltungszellen aufgebaut. Die Stromwichtung erfolgt unter Parallelschaltung jeweils mehrerer solcher Zellen, wie in Fig. 2 unten dargestellt ist. Die Quelle 1-1 umfaßt z. B. acht Zellen, die Quelle 1-2 vier Zellen, die Quelle 1-3 zwei Zellen und die Quelle 1-4 nur eine Zelle. Die Hilfsquellen 5 und 6, die den Quellströmen von 1-2 bzw. 1-4 entsprechende Ströme liefern, haben den gleichen Aufbau wie diese ebengenannten Quellen.

; Wie bereits bei der Betrachtung der Fig. 1 erläutert wurde,

-

j ist die Quelle 5 eine Leitquelle, die die mit ihr verbun-

ι denen gewichteten Stromquellen steuert. Ein Strom I_CAt.

wird der Quelle 5 durch die Kalibrierkreise 8 und 12 gemäß Fig. 1 zugeführt.

Die Komponenten der einzelnen Zellen tragen die gleichen Bezugszeichen mit einer Zusatzbezeichnung entsprechend "der Stromquelle, die sie verkörpern. Bei der allgemeinen Beschreibung der Zellen wird nur das Bezugszeichen ohne Zusatz angegeben. Jede Zelle der Quellen 1-1 bis 1-4 ent-

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hält vier Transistoren 22 bis 25 und zwei Widerstände 26 und 27.

Die Transistoren sind jeweils paarweise parallel angeordnet, wie z. B. die Transistoren 22 und 23. Ihre Emitter, Basen
und Kollektoren sind jeweils miteinander verbunden. Dasselbe !gilt für die Transistoren 24 und 25. Die Transistoren 22 und 23 sowie 24 und 25 sind nach Darlington geschaltet. Dazu
i sind die Kollektoren der Transistoren 24 und 25 mit den
,Kollektoren der Transistoren 22 und 23 miteinander am Punkt
!Μ verbunden. Die Emitter der Transistoren 24 und 25 sind mit den Basen der Transistoren 22 und 23 einerseits und andererseits über einen Widerstand 27 mit den Emittern der gleichen Transistoren verbunden. Die Verbindung der Emitter der
■Transistoren 22 und 23 mit dem Widerstand 27 ist des weiteren mit einer Betriebsspannungsquelle -V über einen Widerstand
26 verbunden. Jede einzelne der beschriebenen Zellen arbeitet als Stromgenerator.

Die Basen der Transistoren 24 und 25 aller Zellen von 5 über 1-1 bis 1-5 und 6 sind mittels einer Leitung 30 mit einer
gemeinsamen geeigneten Spannung vorgespannt.

Bei den Stromquellen, die aus mehreren der beschriebenen
Zellen bestehen, sind jeweils die zu einer Quelle gehörigen
Zellen parallel zwischen dem Punkt M und der Betriebsspannung -V angeordnet.

Für die Quelle 5 führt der Kalbrierkreis 12 gemäß Fig. 1
einen Strom 1_ηΆΤ über den Punkt M-5 zu. Infolgedessen fließt ein Strom 1/4 durch die einzelnen die Quelle 5 bildenden
Zellen, wobei vier Zellen zur Quelle 5 gehören.

Während die Basen der Transistoren 24-5 und 25-5 mit den
Basen der entsprechenden Transistoren in den Stromquellen

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1-1 bis 1-5 und 6 verbunden sind, sind die Basis-Emitter- ; spannungen zwischen den Basen der Transistoren 24 und 25

■ und den Emittern der Transistoren 22 und 23 gleich der

; entsprechenden Basis-Emitterspannung der Zellen der Quelle 5. Wenn die Komponenten aller Zellen gut aufeinander abge- '· stimmt sind, dann tragen sämtliche Zellen den vierten Teil j des Stromes I_CAL ^zum gemeinsamen Punkt M bei, an dem sie zusammengeführt sind.

Die Quelle 1-5 weist einen ähnlichen Aufbau und gleichartige ^: Komponenten auf wie die vorbeschriebenen Zellen; dabei sind

■ die einzelnen Transistoren jedoch nicht doppelt vorgesehen, sondern nur einzeln.

ι Es sind nur zwei nach Darlington geschaltete Transistoren

' 28 und 29 vorgesehen. Die Basis des Transistors 29 ist mit der Basis der Transistoren 24 und 25 aller übrigen Zellen verbunden. Die Kollektoren der Transistoren 28 und 29 sind mit dem Punkt M1-5 verbunden. Der Emitter des Transistors

¹ 29 ist mit der Basis des Transistors 28 einerseits und der Emitter von 29 andererseits mit dem Emitter von 28 über einen Widerstand 27 1-5 verbunden, dessen Widerstand zweimal so groß ist, wie der Wert der Widerstände 27 in den anderen Zellen. Der Verbindungspunkt des Widerstands 27 und des Emitters des Transistors 28 ist mit der Spannung ι -V über einen Widerstand 26 1-5 verbunden, der ebenfalls

! doppelt so groß ist, wie der Wert der Widerstände 26 in den anderen Zellen.

Da die Transistoren in dieser Zelle nicht paarweise vorgesehen sind und die Widerstände doppelte Größe aufweisen, ist der erzeugte Strom halb so groß, wie der Strom in !den einzelnen Zellen der Quellen 1-1 bis 1-4 sowie 5 und 6.

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Die Anschlüsse 20 1-5, 20 1-1, 2O 1-2, 2Ο 1-3, 2Ο 1-4 an den Punkten M der entsprechenden Quellen sind die Anschlösse, die mit den Stromschaltgliedern zu verbinden sind. Der Anschluß 2Ο-6 ist mit dem Kalibrierkreis 9 über die Leitung

^: 18 gemäß Fig. 1 verbunden.

I Schließlich ist die Anordnung der parallel vorgesehenen identischen Zellen der einzelnen Stromquellen auf dem gemeinsamen tragenden Substrat unter symmetrischer Verteilung durchgeführt. Wenn man über die nebeneinander angeordneten :Zellen hinwegschreitet, findet man die folgende Reihenfolge: eine Zelle von 1-1, dann eine Zelle von 5, dann eine Zelle von 1-2, dann die zweite Zelle von 1-1 und so fort. Die ■einzige Zelle der Quelle 1-5 ist im Symmetriezentrum ange-

iordnet.

Damit wird sichergestellt, daß die Stromwerte der einzelnen Stromquellen nicht einer linearen Variation entsprechend der physikalischen Anordnung der einzelnen Zellen unterliegen.

Ein weiterer Vorteil der Parallelanordnung der Zellen soll genannt werden: die statistische Abweichung der Verhältnisse der einzelnen Stromwerte untereinander wird reduziert, wenn die vorgenannte Verteilung bei der Zellengeometrie beachtet wird. Damit wird die Genauigkeit der Arbeitsweise des Umsetzers theoretisch proportional zur Quadratwurzel der Zellenzahl.

Anhand der Fig. 3 soll nun die Gruppe 4-2 der Stromquellen für die niedrigerwertigen Ströme beschrieben werden. Diese Quellen tragen wiederum dieselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1, soweit dort dargestellt.

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Das Prinzip für die Erzeugung der niedrigerwertigen Ströme entspricht dem für die höherwertigen Ströme; eine Leitquelle 7 ist wiederum vorgesehen, deren Stromfluß durch den spiegelnden Kalibrierkreis 9 gemäß Fig. 1 eingestellt wird.

Die Quellen 7 land 1-6 bestehen aus vier elementaren Stromgeneratoren mit vier Transistoren. Die Kollektoren dieser Transistoren sind mit den Ausgängen 2O-7 bzw. 2O 1-6 verbunden. Die Basen der Transistoren sind verbunden und die Emitter werden über gleichgroße Widerstände mit der Versorgungsspannung -V gespeist.

Die Transistoren der Quelle 7 sind 301, 302, 303 und 304 und die zugehörigen Widerstände 305, 306, 307 und 308. Die Kollektoren der Transistoren der Quelle 7 sind mit dem Anschluß 20-7 verbunden, der gemäß Fig. 1 mit der Leitung 19 beschaltet ist.

Die Transistoren der Quelle 1-6 sind 309, 310, 311 und 312 und die zugehörigen Widerstände 314, 315, 316 und 317. Die Kollektoren der Transistoren dieser Quelle sind mit ^: dem Anschluß 20 1-6 verbunden, der zum Schaltglied 2-6

: weiterführt.

■ Die Quelle 1-7 umfaßt zwei elementare Stromgeneratoren, die

den elementaren Stromgeneratoren der Quellen 7 und 1-6 i
; identisch aufgebaut sind. Sie enthält nur zwei Transistoren

' 318 und 319, deren Emitter über die Widerstände 320 und ι 321 mit der Versorgungspannung -V verbunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 318 und 319 sind mit dem 'Anschluß 20 1-7 verbunden, der zum Schaltglied 2-7 weiter- ^; führt. ·

Die Quelle 1-8 umfaßt nur einen elementaren Stromgenerator . mit dem Transistor 322, dessen Emitter mit -V über den

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Widerstand 323 verbunden ist. Sein Kollektor ist mit dem Anschluß 20 1-8 verbunden, welcher zum Schaltglied 2-8 weiterführt.

Die Stromquellen 1-9 bis 1-12 werden mittels eines Leiter-Widerstandsnetzwerks, wie in Fig. 3 unten rechts dargestellt, gewichtet; die Stromgeneratoren sind dem Generator in der Quelle 1-8 ähnlich aufgebaut.

Die Quelle 1-9 enthält einen Transistor 324, dessen Emitter über einen Widerstand 325 nach -V führt. Der Widerstand hat dieselbe Größe, wie die Emitterwiderstände der Quellen und 1-6 bis 1-8.

Ähnliches ist für die Quellen 1-10 bis 1-12 ausgeführt, die die Transistoren 326, 328 und 330 und die Widerstände 327, 329 und 331 enthalten.

Zusätzliche Widerstände 332, 333, 334 und 335, deren Größe ungefähr halb so groß ist wie die der Emitterwiderstände, sind zwischen den von den Emittern abgewandten Anschlüssen der Widerstände 323, 325, 327, 329 und 331 angeordnet, wobei die gewichteten Ströme nach bereits bekannter Technik gebildet werden.

Eine zusätzliche Quelle 1—12', die einen gleich großen Strom liefert, wie die Quelle 1-12, ist zusätzlich vorgesehen. Diese Quelle enthält einen Transistor 336, dessen Kollektor mit dem Anschluß 20 1-12' verbunden ist, dessen Basis mit der Basis des Transistors 330 verbunden ist und dessen Emitter mit dem Emitter von 330 verbunden ist. Diese zusätzliche Quelle wird für den Betrieb des Digital-Analog-Umsetzers selbst nicht benötigt, jedoch aber bei dessen Verwendung für einen Analog-Digital-Umsetzer. Entsprechend wird seine Aufgabe erst im Zusammenhang mit Fig. 9 beschrieben.

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Die Basen der Transistoren aller Stromquellen für die niedrigerwertigen Ströme sind mit einer geeigneten Vorspannung über einen Anschluß 337 verbunden.

Nun sollen anhand der Fig. 4 die Schaltglieder zur Durchgabe der höherwertigen Ströme, nämlich die Schaltglieder 2-1 bis 2-5 gemäß Fig. 1, beschrieben werden. Alle diese Schaltglieder haben den gleichen Aufbau und nur die Glieder 2-1 und 2-2 für die Quellen 1-1 und 1-2 sind in Fig. 4 dargestellt. Die Schaltglieder 2-3 bis 2-5 sind identisch aufgebaut .

Die Schaltglieder 2-1 und 2-2 zeigen denselben Aufbau, ausgenommen jedoch daß im Schaltglied 2-1 einige Transistoren doppelt vorgesehen sind, um zu hohe Stromdichten zu vermeiden, die die Arbeitsgeschwindigkeit und Zuverlässigkeitherabsetzen würden. Nur eines der Schaltglieder soll im ganzen beschrieben werden, nämlich die Einzelteile des Schaltglieds 2-1. Die Einzelteile des Schaltglieds 2-2 sind zwar dargestellt, werden aber nicht im einzelnen abgehandelt. j Wenn ein bestimmtes Bauteil in einem Schaltglied ange- ! sprochen werden soll, dann wird die allgemeine Bezugsziffer • mit Zusatz der Schaltgliednummer angegeben.

ι Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, enthält jedes Schaltglied eigene Schaltzweige 400, welche den von der zugehörigen

gewichteten Stromquelle über den Anschluß 20 gelieferten Strom zur Ausgangssummierleitung 14 gemäß Fig. 1 oder zur Ableitung 15 richten. Eine Anordnung 401 führt sowohl die ι Bitsteuerung als auch gegebenenfalls die Durchlaßsteuerung ι aus, gibt eine Information an die Schaltzweige 400 weiter und bewirkt dabei eine PegelverSchiebung. Dies erfolgt, um die Eingangssteuerung der Schaltzweige 400 von einem

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gegebenen oberen Pegel auf einen dagegen abgesenkten Pegel zu versetzen. Die beiden Pegel variieren geringfügig entsprechend der Anordnung in der Folge der Schaltglieder. Ihre ungefähren Werte sind 1,9 Volt und O Volt, gemessen zwischen der Transistorbasis an 422 und dem gemeinsamen Bezugspotential

Eine zweite Pegelverschiebeanordnung 402 ähnlicher Art ist allen Schaltgliedern gemeinsam. Sie dient zur Eingabe des Sperrsignals.

Die Umsetzereingabebits werden über Anschlüsse 403-1, 403-2, ... 403-5 für die ersten fünf höherwertigen Bits eingegeben.

Die Anordnung 401 enthält einen Stromquellentransistor 404, dessen Emitter mit der die Spannung +V über einen Widerstand 406 liefernden Leitung 405 verbunden ist. Beim gewählten Ausführungsbeispiel beträgt +V„ 5 Volt. Alle anderen Spannungswerte, die noch anzugeben sind, hängen mit diesem gegebenen Wert zusammen.

Die Basis des Stromquellentransistors 404 ist mit einer Gleichspannung verbunden, die 1,3 Volt niedriger ist als +V , d.h. 3,7 Volt.

Der Kollektor des Transistors 404 ist mit dem Emitter eines Schalttransistors 407 verbunden. Der Kollektor von 407 ist mit einer Gleichspannung V^p₂ von ungefähr -4,6 Volt über einen Widerstand 408 verbunden. Die Spannung V^gpo ^w:"-^r^ den Widerständen 408 aller Schaltkreise 401 2-1 bis 401 2-5 über eine Leitung 409 zugeführt.

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Alle Basen der Transistoren 407 2-1 bis 407 2-5 sind mit einer Leitung 410 verbunden und alle Basen der Transistoren 404 2-1 bis 404 2-5 sind über eine Leitung 411 miteinander verbunden.

Die Bitsteuerung über den Anschluß 403 führt zur Kathode des als Diodenventil betriebenen Transistors 412, wobei die Kathode durch den Emitter des Transistors 412 gegeben ist; seine Basis ist mit seinem Kollektor verbunden. Das über die Leitung 413 eingebbare Durchlaßsignal gelangt zur Kathode ί eines als Diodenventil betriebenen Transistors 414, der j ähnlich dem Transistor 412 geschaltet ist. Die Anoden der

: Diodenventile (Transistoren 412 und 414) führen zum Emitter des Transistors 407. Der Kollektor des Transistors 407 ist mit den Schaltzweigen 400 über die Leitung 415 verbunden.

Die Anordnung 402 ist für die Sperrsteuerung vorgesehen und zeigt einen ähnlichen Aufbau wie die Anordnung 401. Sie enthält einen Stromquellentransistor 416, dessen Emitter mit der Leitung 405 und somit mit der Spannung +V über einen Widerstand 417 verbunden ist. Seine Basis ist mit der Leitung 411 und sein Kollektor mit dem Emitter des Schalttransistors 418 verbunden. Die Basis des Transistors 418 ist mit der Leitung 410 und sein Kollektor über den Widerstand 419 mit der Leitung 409 verbunden, die die Spannung V-™- zuführt. Sein Kollektor ist des weiteren mit den Schaltzweigen 400 über die Leitung 420 verbunden. Das Sperrsteuerungssignal wird über die Kathode des als Diodenventil betriebenen Transistors 421 zugeführt, dessen Basis und Kollektor zusammen mit dem Kollektor des Transistors 416 und dem Emitter des Transistors 418 verbunden sind. ·

Die Schaltzweige weisen einen Transistor 422 auf, der in 2-1 mittels eines Transistors 422' verdoppelt vorgesehen ist.

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Die Basen, Kollektoren und Emitter der Transistoren 422

und 422' sind jeweils miteinander verbunden. Die Basis I
; des Transistors 422 ist mit dem Kollektor des Transistors j 407 verbunden, sein Emitter mit der Stromquelle, die über j den Anschluß 20 angeschlossen ist. Der Kollektor des Tranj sistors 422 führt zur Ableitung 15 gemäß Fig. 1.

ί Die die Transistoren 423 und 424 umfassende Darlingtonschaltung ist zwischen dem Anschluß 20 und der AusgangsSummierleitung 14 angeordnet. Der Transistor 424 ist in 2-1 mittels des Transistors 424' verdoppelt ausgeführt. Die Kollektoren der Transistoren 423 und 424 sind mit der Leitung 14 verbunden. Der Emitter des Transistors 423 ist mit der Basis des Transistors 424 und über einen Widerstand 425 mit dem Emitter des gleichen Transistors verbunden. Die Basis des Transistors 423 ist mit einer Leitung 426 verbunden, die alle Basen der Transistoren 423 2-1 bis 423 2-5 verbindet. Die Leitung 426 verbindet mit einer Vorspannung ν_._ΛΤ . Die

POL

Basis des Transistors 427, der im Schaltzweig 400 mittels des Transistors 427' verdoppelt ausgeführt ist, ist mit dem Emitter des Transistors 418 verbunden. Somit spricht 427 auf die Sperrsteuerung an. Sein Kollektor ist mit der Leitung und sein Emitter mit der zugehörigen Stromquelle über den Anschluß 20 verbunden.

Der Emitter des Transistors 428, welcher im Schaltzweig 400 2-1 wiederum mittels eines Transistors 428' verdoppelt ausgeführt ist, wird nicht verwendet. Die Kapazität der Basis-Kollektorstrecke wird zwischen der Basis-Emitterverbindung der Transistoren 424 und 423 einerseits und andererseits den Kollektoren der Transistoren 422 und 427 verwendet . I

Nun soll die Funktion eines solchen Schaltgliedes beschrie- \ ben werden. j

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Zuerst soll angenommen werden, daß sowohl die Sperr- als auch die Durchlaßsteuerung inaktiv sind; d.h. daß die Steuerpotentiale an den Emittern der als Diode betriebenen Transistoren 421 und 414 auf entsprechenden, die Inaktivität garantierenden Pegeln liegen. Dabei leitet der Transistor 421 und der Transistor 414 ist gesperrt. j

Entsprechend gelangt der über den Transistor 416 durchgelassene Strom durch den als Ventil leitenden Transistor 421 \ ' hindurch. Der Transistor 418 und ebenfalls der Transistor 427 sind damit ausgeschaltet. Die Sperrsteuerung ist somit wirkungslos.

' Da der als Ventil betriebene Transistor 414 gesperrt ist, steht der durch den Transistor 404 gegebene Strom nicht unter dem Einfluß der Durchlaßsteuerung, sondern nur unter dem Einfluß des jeweils am Anschluß 403 anstehenden Bits.

Es soll angenommen werden, daß das am Anschluß 403 anstehende Bit sich auf niedrigem Pegel, d.h. unter 1,5 Volt, befindet. Der als Ventil betriebene Transistor 412 leitet. Entsprechend gelangt der vom Transistor 404 durchgelassene Strom zum Transistor 412 und der Transistor 407 ist ausgeschaltet. Dann wird der Transistor 422 ebenfalls gesperrt. Aufgrund der Vorspannung an der Basis des Transistors 423 leitet die Darlingtonschaltung 423/424 und der über den Anschluß 20 zugeführte Strom wird zur Ausgangssummierleitung 14 gerichtet.

Wenn umgekehrt das Bit an 403 einen hohen Pegel, d.h. mehr als 1,5 Volt, zuführt, dann wird der Transistor 412 gesperrt und der Strom des Transistors 404 gelangt zum Transistor 407, der dann leitend wird. Entsprechend nimmt die Spannung an der Basis des Transistors 422 zu und der Transistor 422 wird leitend, so daß seine Wirkung die der

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Transistoren 423 und 424 übersteuert und der über den Anschluß 20 von der zugehörigen Stromquelle gelieferte Strom zur Ableitung 15 gelangt.

Wenn die Sperrsteuerung aktiviert ist, d.h. wenn sich diese auf hohem Pegel befindet, und die Durchlaßsteuerung gesperrt ist, dann ist der als Ventil geschaltete Transistor 421 nicht leitend. Infolgedessen verläuft der Strom des Transistors 416 über den Transistor 418, der nun leitend wird. Damit wird der Transistor 427 leitend und übersteuert die Wirkungen der Transistoren 422 und 423/424; der von der angeschlossenen Stromquelle über den Anschluß 20 zugeführte Strom gelangt zur Ableitung 15.

Wenn die Durchlaßsteuerung aktiviert ist, d.h. wenn sich diese auf niedrigem Pegel befindet, und die Sperrsteuerung inaktiv ist, dann leitet der als Ventil geschaltete Transistor 414, so daß der Strom des Transistors 404 abgezogen wird. Der Transistor 407 ist damit gesperrt und ebenfalls der Transistor 422, so daß der von der angeschlossenen Stromquelle über den Anschluß 20 zugeführte Strom über die Darlingtonschaltung 423/424 zur Ausgangssummierleitung 14 geführt wird, unabhängig davon, wie der über den Anschluß 403 zugeführte Bitwert auch ist.

Der Transistor 428 dient als Kondensator und überträgt einen Stromstoß von der Leitung 15 zur Basis des Transistors 424, der den der Basis des Transistors 424 zugeführten wechselnden Strom kompensiert, wenn irgendeine SpannungsSchwankung auf der Ausgangssummierleitung auftritt. Damit wird die Schaltgeschwindigkeit durch Kompensierung des sogenannten Miller-Effekts erhöht.

In den Schaltgliedern für die höherwertigen Ströme wird eine Darlingtonschaltung 423/424 in dem Strompfad verwen-

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det, der den zugeführten Strom zur Ausgangssummierleitung 14 richtet, wobei Stromverluste vermieden werden und der Verstärkungsgrad, der die Genauigkeit erhöht, vergrößert wird. Ähnliches ist in dem Pfad, der den Strom zur Ableitung 15 richtet, nicht erforderlich, da es dort nicht so 'auf die Genauigkeit ankommt.

ι Zur Erzeugung der einzelnen Vorspannungspegel V_poT (410), VpOL (411) und V_p0L (426) sind natürlich zusätzliche _;Schaltkreise erforderlich, die jedoch nicht einzeln erläutert werden, da sie für den Fachmann geläufig sind und zum Stand der Technik gehören.

Nun sollen die Schaltkreise für die Schaltung der niedrigerwertigen Ströme behandelt werden. Bei diesen Schaltkreisen ist die Genauigkeit weniger kritisch als bei den Schaltkreisen für die höherwertigen Ströme; dies, weil die geringerwertigen Ströme nur zu einem kleineren Teil ,bei der Bildung des Ausgangssignals beitragen. Die Schaltjglieder 2-6 bis 2-12 und 2-12' sind mit dem gleichen Grundaufbau ausgeführt, wie die Schaltglieder 2-1 bis 2-5; die Darlingtonschaltung ist jedoch durch eine einfache Transistorenanordnung ersetzt, die auch eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei den geringeren Stromwerten erzielen läßt, die zu schalten sind. Dabei ist die Genauigkeit sehr zufriedenstellend und die äußeren Abmessungen der entsprechenden Schaltkreise sind weniger umfangreich.

In Fig. 5 sind nur die Schaltglieder 2-6 und 2-10 und die Schaltglieder 2-11, 2-12 und 2-12' voll dargestellt. Ähnlich wie in Fig. 4 ist wiederum nur eines dieser Schaltglieder in allen Einzelheiten dargestellt. Die Bezugsziffern der Bauteile in den Figuren 5 und 4 sind gleich gewählt, ausgenommen jedoch die Hunderterpositionen der Bezugszeichen.

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Wie in Fig. 5 zu ersehen ist, enthält jedes der Schaltglieder 2-6 bis 2-12" stromrichtende Schaltzweige 500 sowie eine Pegelverschiebeanordnung 501. Eine weitere Verschiebeanordnung 502 für die gesamte Gruppe der Schaltglieder für die geringerwertigen Ströme zur Durchführung der Aktivierung der Sperrsteuerung ist vorgesehen.

Die geringerwertigen Bits werden den Eingängen 503-6 bis 503-12 zugeführt.

Die Anordnung 501 hat einen ähnlichen Aufbau wie die Anordnung 401 gemäß Fig. 4 und wird infolgedessen nicht noch einmal beschrieben.

Die Anordnung 502 hat ebenfalls denselben Grundaufbau wie die Anordnung 402 und arbeitet auch auf gleiche Weise. Der einzige Unterschied ist, daß der Widerstand 519, der dem Widerstand 419 entspricht, mit drei Anzapfungen A, B und C ausgeführt ist, an denen Steuerpotentiale für die Sperrung und die entsprechende Einwirkung auf die Basen der Transistoren 527 der Schaltzweige 500 abgenommen werden. Die Basen der Transistoren 527 2-6 bis 527 2-10 sind mit der Anzapfung A verbunden, die Basis des Transistors 527 2-11 ist mit der Anzapfung B verbunden und die Basen der Transistoren 2-12 und 527 2-12' sind mit der Anzapfung C verbunden.

In den Schaltzweigen 500 ist die Darlingtonschaltung gemäß Fic 4 durch einen oder mehrere Transistoren in einfacher Anordnung ersetzt. Im Zweig 500 2-6 z. B. sind die Basen der vier vorgesehenen Transistoren, die alle das Bezugszeichen 530 tragen, und ebenfalls deren Kollektoren und Emitter untereinander verbunden, um damit eine Anordnung zu bilden, die die gleiche Verstärkung wie die entsprechenden Anordnungen in den Schaltgliedern 2-7 und

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2-8 aufweist. Die Kollektoren sind mit der Ausgangssummierleitung 14 verbunden, die Emitter mit dem Anschluß 20 1-6 und die Basen bekommen eine Vorspannung zugeführt, die über eine Leitung 532 von einem Schaltzweig 531 abgegeben wird. Dieser Schaltzweig 531 wird noch beschrieben.

Im Zweig 500 2-7 besteht die Transistorenanordnung 530 2-7 aus zwei miteinander verbundenen Transistoren; in den Schaltzweigen 500 2-8 bis 500 2-10 ist jeweils nur ein einzelner Transistor vorgesehen, dessen Basis mit der Leitung 532 verbunden ist.

Im Zweig 500 2-11 ist die Basis des Transistors 530 2-11 mit einer anderen Vorspannung über die Leitung 533 verbunden; ähnliches gilt für die Schaltzweige 500 2-12 und 500 2-12', deren Transistorbasen von 530 2-12 und 530 2-12' über eine Leitung 534 vorgespannt werden.

Der zusätzliche Vorspannungszweig 531 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie 502 mit zwei Transistoren 535 und 536. Der Emitter des Transistors 535 ist mit der Leitung 405 über einen Widerstand 537 verbunden, seine Basis mit der Leitung 411 und sein Kollektor mit dem Emitter des Transistors 536 über einen Widerstand 538. Die Basis des Transistors 536 ist mit der Leitung 410 verbunden und sein Kollektor mit der Spannung V___F2 über einen Widerstand 539, der drei Anzapfungen D, E und F aufweist, an die die Leitungen 532, 533 und 534 jeweils angeschlossen sind.

In den Schaltgliedern zur Schaltung der Ströme sollen die Signale zur Steuerung der Schaltzweige 500 eine wohldefinierte Amplitude aufweisen um sicherzustellen, daß die Zustände "EIN" und "AUS" sauber für die einzelnen Bits gegeben werden, und um einen korrekten Ausgangsstrom in der Ausgangssummierleitung zu erzielen.

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In den Schaltkreisen gemäß Fig. 5 sind die Vorspannungen an den Basen der Transistoren 530 2-6 bis 530 2-10 alle gleich und ebenso auch die Vorspannungen für die Basen der Transistoren 527 2-6 bis 527 2-10. In diesen Schaltkreisen haben die Bitsteuerungen an den Basen von 522 2-6 bis 522 2-10 Amplituden von ungefähr 380 mV und die Vorspannung an den Basen von 530 2-6 bis 530 2-10 eine Spannung von 1 90 mV über

Beim Schaltglied 500 2-11 ist die der Basis des Transistors 522 2-11 zugeführte Steueramplitude 330 mV und die Vorspannung an der Basis von 530 2-11 160 mV über

Beim Schaltglied 500 2-12 und 500 2-12' ist die Steuersignalamplitude an der Basis der Transistoren 522 2-12 und 522 2-12' 260 mV und die Vorspannung an den Basen von 530 2-12 und 530 2-12' 130 mV über

Es ist zu beachten, daß diese Werte natürlich nur als Beispiel angegeben sind und daß zusätzliche Schaltkreise, die hier nicht dargestellt sind, für die herkömmliche Erzeugung der erforderlichen Vorspannungen vorzusehen sind.

Nun sollen die Kalibrierkreise in 8, 12 und 9 für die Einstellung der Stromwerte im einzelnen erläutert werden.

Die Kalibrierkreise in 8 und 12 dienen zur Kalibrierung der höherwertigen Ströme und zur Abgabe eines bestimmten Stromwertes zur Leitquelle 5 für die höherwertigen Ströme.

Im Schaltkreis 8 gemäß Fig. 1 sind als R3 und R4 Widerstände von 1 Kiloohm vorgesehen und für die Kalibrierwiderstände

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R1 und R2 Widerstände von je 4 Kiloohm. Wie bereits erläutert, bestimmt das Widerstandsverhältnis den Dynamikbereich der Ausgangsspannung

Der Widerstand R3 ist mit der Ausgangssummierleitung 14 verbunden und des weiteren ist eine Verbindung über die Leitung 11 und den Kalibrierkreis 12 für die höherwertigen Stromquellen gemäß Fig. 1 vorgesehen.

Der Kalibrierkreis 12 gemäß Fig. 6 wird durch einen Stromspiegel gebildet, der im wesentlichen aus den beiden Transistoren 601 und 602 besteht. Der Emitter des Transistors 602 ist über die Leitung 603 geerdet und der Emitter des Transistors 601 mit der Leitung 11 gemäß Fig. 1 verbunden. Die Basen der Transistoren 601 und 602 sind miteinander verbunden. Die Basis des Transistors 604 ist mit den Basen der Transistoren 601 und 602 verbunden, sein Emitter ist wiederum geerdet und sein Kollektor mit dem Emitter eines Transistors 605 verbunden, dessen Kollektor wiederum an der Spannung -V liegt.

Der über die Leitung 11 fließende Strom ist der Kalibrierstrom. Er sollte einerseits gleich V-™ (R1+R2)/R1R2 sein,

Kür

wobei der Emitter des Transistors 601 faktisch geerdet ist; andererseits sollte der Strom voll zur höherwertigen Leitquelle 5 über die Leitung 622 fließen.

Die erste der beiden vorgenannten Bedingungen wird erzielt durch Vorkehrung der gleichen Funktionsbedingungen für die beiden Transistoren 60Ί und 602; dazu werden die Widerstände 613 und 621 an den Kollektoren dieser Transistoren gleich gemacht und der Strom nach der Leitquelle 5 für die höheren Ströme und der Strom nach einer Hilfsquelle, bestehend aus den Transistoren 611 und 612 mit den Widerständen 614 und 615, ungefähr gleich gemacht.

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Die Kollektoren der Transistoren 611 und 612 sind mit dem Widerstand 613 verbunden, die Basis des Transistors 611 mit dem Emitter des Transistors 612 und der Widerstand 614 mit dem Emitter des Transistors 612 und andererseits mit dem Emitter des Transistors 611. Der Emitter des Transistors 611 ist über einen Widerstand 615 mit der Spannung

-V verbunden. c

Um den Strom der Leitquelle 5 und der Hilfsquelle 611/612 gleich zu machen, reicht es aus, die Werte der Widerstände 614 und 615 viermal kleiner zu machen als die Werte der Widerstände 27-5 und 26-5 gemäß Fig. 2.

Der zweiten genannten Bedingung wird entsprochen mittels j des Transistors 605, dessen Basis mit dem Widerstand 621 verbunden ist und dessen Basisstrom gleich dem Strom durch 601 gemacht wird, wobei der Quelltransistor 604 mit demselben Strom arbeitet wie der Transistor 601. Damit wird der für die Leitung 11 verlorengegangene Basisstrom des Transistors 601 exakt durch den Basisstrom des Transistors 605 über die Leitung 622 ausgeglichen.

Der Transistor 606, dessen Kollektor geerdet ist, dessen Basis mit der Basis des Transistors 605 verbunden ist und dessen Emitter mit der Leitung 30 gemäß Fig. 2 verbunden ist, ist ein Fehlerverstärker, der auf die Leitung 30 wirkt, und zwar gemeinsam für alle höherwertigen Stromquellen, wobei ein Strom für die Quelle 5 garantiert wird, der gleich dem über die Leitung 11 eingegebenen Strom ist.

Die beiden Transistoren 607 und 608 in Verbindung mit dem Widerstand 610 dienen zur Kopierung des Stromverlustes j im stromrichtenden Schaltkreis für das Bit 2. Diese Tran- ; sistoren sind wie folgt angeordnet. Ihre Kollektoren sind mit der Leitung 11 verbunden, die Basis des Transistors

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607 mit Erde und der Emitter von 607 mit der Basis von 608. Der Emitter des Transistors 607 ist des weiteren mit dem Emitter des Transistors 608 über den Widerstand 610 verbunden. Der Emitter des Transistors 608 ist mit dem Kollektor eines Transistors 623.verbunden, dessen Basis mit dem Kollektor des Transistors 601 und dessen Emitter mit der Basis des ' Transistors 606 und dem Widerstand 621 verbunden ist. '

Die Basis des Transistors 616 ist mit dem Kollektor des Transistors 602 verbunden, sein Kollektor ist mit Erde verbunden und sein Emitter mit den Kollektoren der Transistoren 611 und 612. Die Basen der Transistoren 602 und 604 sind mit Erde über einen Widerstand 617 und mit der Spannung -V über einen Transistor 618 und einen Transistor 619 verbunden. Der Kollektor des Transistors 618 ist mit der Basis des Transistors 602 verbunden, sein Emitter mit dem Emitter des Transistors 619, dessen Kollektor wiederum mit der Spannung -V verbunden ist. Die Basis des Transistors 619 ist mit dem Verbindungspunkt der Kollektoren der Transistoren 611 und 612 und mit dem Emitter von 616 verbunden.

Der Transistor 618 ist mittels eines Schaltkreises vorgespannt, der einen Widerstand 620 und einen als Zenerdiode geschalteten Transistor 624 umfaßt, wobei die Basis und der Kollektor des letzteren verbunden sind. Die Basis des Transistors 618 ist über den Widerstand 620 mit Erde und mit dem Emitter des Transistors 624 verbunden, dessen Kollektor und Basis an der Spannung -V liegen.

Nun soll der Kalibrierkreis 9 für die geringerwertigen Ströme anhand der Fig. 7 erläutert werden.

Diese Schaltunganordnung umfaßt einen Stromspiegel mit den Transistoren 701 und 702, deren Emitter mit der Spannung

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+Vr₁-C-P über vier Widerstände 703 bis 706 bzw. über einen Widerstand 707 verbunden sind. Da alle diese Widerstände mit gleicher Größe ausgelegt sind, ist der Emitterwiderstand des Transistors 701 viermal kleiner als der Emitterwiderstand des Transistors 702.

Die Basen der Transistoren 701 und 702 sind miteinander am Punkt 708 verbunden. Der Punkt 708 ist über einen Widerstand 700 mit der Spannung +V₁,.^ und mit -V über einen Transistor 709 verbunden, dessen Kollektor mit dem Punkt 708 und dessen Emitter mit dem Emitter des Transistors 710 verbunden ist, dessen Kollektor wiederum an der Spannung -V liegt. Die Basis des Transistors 710 ist mit dem Anschluß 20-6 verbunden. Der Transistor 709 ist mittels eines Schaltzweiges vorgespannt, der einen Widerstand zwischen der Basis des Transistors 709 und der Spannung +V_R„„ und einen als Zenerdiode geschalteten Transistor 714 aufweist, dessen Emitter mit der Basis des Transistors 709 und dessen Basis und Kollektor gemeinsam mit der Spannung -V verbunden sind.

Der Kollektor des Transistors 701 ist mit dem Anschluß 20-6 gemäß Fig. 2 über einen Widerstand 711 verbunden. Er ist des weiteren mit der Basis eines Transistors 712 verbunden, dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 701 und dessen Emitter mit dem Anschluß 20-6 verbunden ist.

Im zweiten Schaltzweig ist der Kollektor des Transistors 702 mit dem Anschluß 20-7 über einen Widerstand 718 verbunden. Er ist des weiteren mit der Basis eines Transistors verbunden, dessen Kollektor mit dem Emitter des Transistors 702 und dessen Emitter mit dem Anschluß 20-7 verbunden ist.

Der Kollektor des Transistors 719 ist mit ⁺V_REF verbunden, seine Basis mit dem Anschluß 20-7 und sein Emitter mit dem aus zwei Transistoren 720 und 721 bestehenden Zweig. Der

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Kollektor des Transistors 720 ist mit der eigenen Basis einerseits und mit dem Kollektor des Transistors 721 andererseits verbunden. Der Emitter des Transistors 720 ist mit der Basis des Transistors 721 verbunden und der Emitter des Transistors 721 mit dem Anschluß 722, mit dem die Leitung 337 gemäß Fig.

3 zu verbinden ist.

i -

j Die Transistoren 701 und 702 arbeiten mit den gleichen Basis-Emitterspannungen. Während der den Widerständen 703 bis 706 j äquivalente Widerstand viermal kleiner als der Widerstand j 707 ist, ist der zum Anschluß 20-7 fließende Strom viermal

[ kleiner als der, der zum Anschluß 20-6 fließt.

j Der Transistor 719 und der als Diode geschaltete Transistor 720 mit 721 bilden einen Verstärker, der den zur Leitquelle 7 abgegebenen Strom gleich dem vierten Teil des Stromes !werden läßt, der seitens der Quelle für das Bit 4 abgegeben wird.

Nach der Beschreibung der Hauptbestandteile des Umsetzers soll nun der Generator zur Erzeugung des Pegels V_RE„ anhand der Fig. 8 beschrieben werden. Diese Schaltungsanordnung gibt eine temperaturstabilisierte Ausgangsspannung ab, die beim betrachteten Ausführungsbeispiel zu 2,5 Volt gewählt ist. Diese Schaltungsanordnung gemäß Fig. 8 wird mit einer Spannung +V von 5 Volt gespeist. Die Spannungen +V und -V sind relativ klein im Vergleich zu Einrichtungen nach dem Stande der Technik, was allein einen besonderen Vorteil des Umsetzers nach der vorliegenden Erfindung ausmacht.

Diese Schaltungsanordnung enthält eine Zelle 801 zur Erzeugung der Bezugsspannung, Startkreise 802, einen Ausgangsverstärker 803 und einen Stromspiegel mit Stromgenerator 804.

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Die Zelle 801 enthält die Transistoren 806 bis 812 und die Widerstände 813 bis 817. Diese Schaltungsanordnung gibt über den Punkt 818 eine Spannung ab, die vom durch die Transistoren 811 und 812 fließenden Strom abhängt. Für einen bestimmten Wert dieses Stromes ist die Spannung temperaturstabilisiert.

Die Transistoren 807 und 808 sind aufeinander abgestimmt und ihre Basen, Emitter und Kollektoren miteinander jeweils verbunden. Das gleiche gilt für die Transistoren 809 und

810. Die Kollektoren der Transistoren 807 und 808 und die _;

Kollektoren der Transistoren 809 und 810 sind über die j

Widerstände 814 bzw. 815 mit einer gemeinsamen Leitung 850 j

verbunden. Die Emitter der Transistoren 807 und 808 sind [

direkt und die Emitter der Transistoren 809 und 810 über I

einen Widerstand 816 mit Erde verbunden. ;

Der Kollektor des Transistors 806 ist mit dem Punkt 818 verbunden, seine Basis mit den Kollektoren der Transistoren 807 und 808 und sein Emitter mit den Basen der Transistoren 807 und 808 und des weiteren über den Widerstand 813 mit Erde. Die Kollektoren der Transistoren 811 und 812 sind gemeinsam mit dem Punkt 819 verbunden. Die Basis des Transistors 811 ist mit dem Kollektor der Transistoren 809 und 810 verbunden, sein Kollektor mit dem Kollektor des Transistors 812 und sein Emitter über den Widerstand 817 mit Erde. Der Emitter des Transistors 812 ist ebenfalls mit Erde verbunden.

Diese Schaltungsanordnung arbeitet wie folgt: Die Bezugsspannung Vp₂₅, am Punkt 818 ist die Summe von zwei wie folgt erzeugten Spannungen.

Eine erste Spannung V ist die Summe der Basis-Emitterspannung der Transistoren 811 und 812. Der Strom durch diese Transistoren wird konstant auf ungefähr 0,5 mA gehalten.

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• Die zweite Spannung V, ist der Spannungsabfall am Widerstand 815. Der durch diesen Widerstand fließende Strom ist praktisch der gleiche, wie der, der durch den Widerstand 816 fließt. Der Widerstand 815 ist 18 mal größer als der Widerstand 816 gewählt, so daß die Spannung V_R„₁₅ an den Anschlüssen des Widerstands 815 18 mal größer als die Spannung V_Rg1ß an den Anschlüssen des Widerstands 816 ist. ^VR815 ⁼ 18 ^VR816* ^VR816 ^{ist die dif}ferentiale Basis-Emitterspannung zwischen den verbundenen Transistorpaaren 807, 808 und 809, 810.

Das Stromverhältnis in den Transistoren 807, 808 und 809, 810 wird unabhängig von der Temperatur konstant gehalten. Die Ströme sind gegeben durch die Widerstände 814 und 815.

• Die gleiche Spannung erscheint an den Anschlüssen der Widerstände 814 und 815, die mit den Transistoren 807, 808 bzw. 809, 810 verbunden sind.

Während die Widerstände 814 und 815 zueinander in einem Verhältnis von 13 stehen, gilt dasselbe Verhältnis für die Ströme durch die Transistoren 807, 808 und 809, 810.

Es ergibt sich somit:

KT ^ω1

V. -

R816 = ψ ^lo*e Ϊ

e2

K ist die Boltzmannkonstante,

T die Temperatur,

q die Elektronenladung,

I ₁ der Emitterstrom der Transistoren 807, 808 , und

I 2 der Emitterstrom der Transistoren 809, 810.

Wie bei Dioden üblich ist V_R81g ungefähr 66 mV bei 25° C und erhöht sich um 0,22 mV bei jedem weiteren Grad Celcius.

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^VR815 ^{ist 18 mal} 9^{rößer als v}r816' ^d°^h· ¹'^{19 Volt bei 25}° ^C plus 3,9 mV für jedes höhere Celciusgrad.

ι Um einen konstanten Strom durch die Transistoren 811 und ι 812 zu gewährleisten, werden V und V, temperaturmäßig ' kompensiert, so daß die Bezugsspannung V„„„ am Punkt 818

! Kuli;

konstant ist.

Der konstante Strom durch die Transistoren 811 und 812 wird mittels der Zelle 804 hergestellt, die einen Stromgenerator und einen Stromspiegel umfaßt.

Der Stromgenerator umfaßt zwei Transistoren 820 und 821, die in Reihe mit einem Widerstand 822 liegen. Die Basis des Transistors 820 ist mit der bereits genannten gemeinsamen Leitung 850 der Zelle 801 verbunden. Der Emitter von 820 ist mit dem Kollektor von 821 verbunden. Der Kollektor von 821 ist mit der eigenen Basis und der Emitter mit Erde über den Widerstand 822 verbunden.

Der Kollektorstrom des Transistors 820 wird mittels eines Stromspiegels am Kollektoranschluß der Transistoren 811 und 812 gespiegelt. Dieser Stromspiegel umfaßt vier Transistoren 823 bis 826 und vier Widerstände 827 bis 830. Die Transistoren 823 und 824 befinden sich im Kollektorpfad des Transistors 820. Der Emitter des Transistors 823 ist mit dem Kollektor von 820 verbunden, sein Kollektor über den Widerstand 827 mit der Spannung +V . Der Emitter von 824 ist mit dem Kollektor von 823 verbunden, der Kollektor von 824 mit der Basis von 823 einerseits und andererseits mit dem Emitter von 823 über den Widerstand 828.

Die Transistoren 825 und 826 sind ähnlich im Kollektorpfad der Transistoren 811 und 812 angeordnet. Die Basen der Transistoren 824 und 825 sind miteinander über die Leitung

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8Ö88H/G

831 verbunden. Die Vorspannungskreise des Stromspiegels umfassen den Widerstand 832, dessen ein Anschluß mit der : Spannung +V und dessen zweiter Anschluß mit der Leitung 831 und dem Transistor 833 verbunden ist. Der Emitter von 833 ist mit der Leitung 831, der Kollektor mit Erde und die Basis mit dem Emitter des Transistors 823 verbunden.

Der Ausgangsverstärker 803 gewährleistet eine Rückkopplung, die zur Regulierung der Spannung erforderlich ist. Er umfaßt drei Transistoren 834, 835, 836 und einen Widerstand 837. • Der Kollektor von 834 ist mit der Spannung +V verbunden, S sein Emitter mit dem Punkt 818 und seine Basis mit der j Verbindung des Kollektors 835 und des Emitters des Transi-■' stors 836. Der Emitter des Transistors 835 ist mit der Spannung +V über den Widerstand 837 verbunden, seine - Basis mit den Basen der Transistoren. 825 und 824. Die Basis des Transistors 836 ist mit dem Emitter des Transistors 826 im Stromspiegel und sein Kollektor mit Erde verbunden.

Die Transistoren 835 und 836 reduzieren die Belastung des Stromspiegels. Des weiteren sind die Transistoren 834 und 836 vorgesehen, um die Stromspiegelausgangsspannung auf 2,5 Volt festzusetzen.

Die Startkreise 802 erlauben die Regulation zu Beginn des Betriebes. Sie umfassen vier Transistoren 838 bis 841 und die Widerstände 842 bis 845. Der Kollektor von 838 ist mit +V verbunden, sein Emitter mit der Basis von 834 und seine Basis mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 842 und 843. Die Transistoren ß39 und 840 sind als Diodenventile geschaltet, wozu ihre Kollektoren und Basen miteinander verbunden sind. Zusätzlich ist der Kollektor von 839 mife dem Kollektor von 840 verbunden, wobei diese Verbindung weiterführt zu der bereits genannten gemeinsamen Leitung 850.

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109814/0819

Der Emitter des Transistors 839 ist mit der Spannung +V über die beiden in Reihe angeordneten Widerstände 843 und 842 verbunden. Der Emitter des Transistors 840 ist mit der Basis des Transistors 841 einerseits und mit dessen Emitter über den Widerstand 844 andererseits verbunden. Der Kollektor von 841 ist mit dem Emitter von 839 verbunden und der Emitter von 841 über den Widerstand 845 mit Erde.

Beim Einschalten, wenn V _F = 0 und V >^ 3,8 Volt sind, fließt ein Strom durch die Transistoren 838 und 834 und durch die über den Punkt 819 wirkende Last= Es fließt kein Strom durch die Transistoren 840 und 841. Das Potential an der gemeinsamen Leitung 850 geht hinauf auf 1,6 Volt bei 25 C? dann ist der Transistor 841 ausgeschaltet. Wenn die Spannung am Punkt 819 auf über zwei Volt ansteigt, dann wird der Transistor 841 leitend, wobei die Spannung an der Basis des Transistors 831 auf einen Wert absinkt, der nahe der Spannung an der Basis des Transistors 841 liegt. Der Transistor 838 wird gesperrt und die Startkreise werden inaktiv. Die als Ventile geschalteten Transistoren 839 und 840 lassen den Transistor 841 ungesättigt bleiben.

Fig. 9 erläutert schematisch, wie zwei Digital-Analog-Umsetzermoduln zur Erzeugung der Bezugspegel für einen Analog-Digital-Umsetzer der Art verwendet werden können, die im Buch "Analog to Digital and Digital to Analog Conversion Techniques", das bereits zu Beginn der Beschreibung zitiert wurde, beschrieben ist.

In Fig. 9 sind lediglich die Verbindungen dargestellt, mit deren Hilfe die Verwendung des beschriebenen Umsetzers für einen Analog-Digital-Umsetzer möglich wird.

Zwei Moduln werden dabei verwendet; das Modul 901 zur Umsetzung der positiven Werte und das Modul 902 zur Umsetzung der negativen.

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In diesen dargestellten Moduln enthalten die Teile 903 und 904 die Schaltkreise 4-1 und 4-2, 12, 9 und 17 gemäß Fig. J 1. Die Bits der umzusetzenden Worte werden den Moduln über Biteingaben 9o5 und 906 zugeführt. Die Vorzeichenbits wirken auf die Durchlaß- und Sperrsteuerungen in einer noch zu beschreibenden Weise.

Die in den Kalibrier- und Ausgangskreisen 8 enthaltenen Bauteile, insbesondere die Kalibrierwiderstände R1 und R2

• wie auch der Ausgangswiderstand R3, sind in den beiden Moduln j dargestellt, wobei diese Elemente untereinander verbunden

; sind, um den Zusammenhang in der Gegend von null absichern zu können.

Es wurde bereits in den voranstehenden Beschreibunsteilen gezeigt, daß die Kalibrierströme von der Bezugsspannung V_REp und von den Werten der Kalibrierwiderstände abhängen. Infolgedessen muß sichergestellt werden, daß die Kalibrierströme in den Moduln 901 und 902 genau gleich sind, um . die Umsetzungen in der Nähe von null nicht zu stören. Dies ; wird erreicht durch Verbindung der Moduln 901 und 902 entsprechend Fig. 9.

In dieser Figur tragen die Bauteile R1, R2, R3, 10, 11 und 14 gemäß Fig. 1 im Modul 901 die Zusatzbezeichnung 1 und im Modul 902 eine zusätzliche 2. Die Bezugsspannung V^™ ist im Modul 901 als V1 bezeichnet und im Modul 902 als V2.

Wie in Fig. 9 dargestellt ist, ist der Widerstand R1-1 mit der Leitung 11-1 und parallel mit dem Widerstand R2-2 verbunden. In gleicher Weise ist der Widerstand R1-2 mit der Leitung 11-2 und parallel mit dem Widerstand R2-1 verbunden. ! Die Ausgänge 10-1 und 10-2 sind miteinander und mit einem i gemeinsamen Ausgang 907 verbunden, über den das von den beiden Moduln bereitgestellte Ausgangssignal abnehmbar ist.

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9098U/06

28377

Auf diese Weise ist der Kalibrierstrom des Moduls 901 gleich V1/R1-1 + V2/R2-2 und der Kalibrierstrom des Moduls 902 gleich V2/R1-2 + V1/R2-1. Die jeweils in ein und demselben Modul angeordneten Widerstände R1 und R2 sind aufeinander abgestimmt und somit genau gleich; damit läßt sich garantieren, daß die Kalibrierströme in den Leitungen 11-1 und 11-2 ebenfalls gleich sind.

Bei der Umsetzung einer positiven Zahl werden deren Bits ohne Vorzeichenbit den Biteingaben 905 und 906 zugeführt;

901 wird jetzt aktiv. Die Durchlaß- und Sperrsteuerungen bleiben inaktiv und das Modul 901 arbeitet normal. Das Modul

902 wird gesperrt und seine Biteingabe ist inaktiv, was andererseits ergibt, daß kein Strom von diesem Modul zum Ausgang 907 fließt.

Für die Umsetzung einer negativen Zahl wird das Modul 902 aktiviert. Seine Sperr- und Durchlaßsteuerungen bleiben inaktiv und die Durchlaßsteuerung des Moduls 901 wird aktiviert, was andererseits ergibt, daß alle Ströme vom Modul 901 zum Ausgang 907 fließen.

Unter der Annahme, daß die umzusetzenden Binärzahlen im Zweierkomplement ausgedrückt sind, wird das Vorzeichenbit der Bitanordnung an den Eingaben 905 und 906 zur Aktivierung der Durchlaß- und SperrSteuerungen verwendet.

Im Modul 901 wird das inverse Vorzeichenbit der Durchlaßsteuerung zugeführt und dem Sperreingang ein hoher Signalpegel. Im Modul 902 dagegen wird das inverse Vorzeichenbit der Sperrsteuerung zugeführt und dem Durchlaßeingang ein hoher Pegel.

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9038U/06IÖ

Dabei wird eine maximale Ausgangsspannung an 907 erzielt, wenn kein Strom in beiden Moduln fließt; andererseits wird die geringste Spannung abgegeben, wenn der höchstmögliche Strom in den Moduln fließt. Während beide Ausgangswiderstände R3-1 und R3-2 mit dem Ausgang 907 verbunden sind, ist der Dynamikbereich des Ausgangssignals wieder 2V .

Nun sollen noch die Aufgaben der Stromquelle 1—12" und ihr zugeordnetes Schaltglied 2—12" beschrieben werden. Diese Quelle ermöglicht bei der genannten Anwendung eine besondere Funktion. Mit ihr wird vermieden, daß die Analogwerte, die den Bitanordnungen 0 000000000000 und 1 111111111111 entsprechen, gleich erscheinen.

Bei der Anordnung 0 000000000000 wird das Modul 901 aktiviert und sämtliche Stromquellen dieses Moduls schicken ihren Strom über die Widerstände R3. Das Modul 902 ist inaktiv und schickt daher keinen Strom über die Widerstände R3, Damit wird eine Ausgabe mit dem Pegel 0 erzielt.

Bei der Eingabebitanordnung 1 111111111111 senden ebenfalls alle Quellen des Moduls 901 ihren Strom über die Widerstände R3, während im Modul 902 kein Ausgangsstrom fließt. Infolgedessen würde ohne Vorkehrung der zusätzlichen Quelle 1—12' im Modul 901 derselbe Analogwert 0 für beide Anordnungen erreicht, was keinesfalls erwünscht ist. Aus diesem Grunde liefert in diesem Falle und des weiteren bei allen negativen an die Moduln 901 und 902 angelegten Zahlen die Quelle 1 =-12 ° des Moduls 901 einen zusätzlichen Strom durch die Wider= stände R3. .

Diese Quelle 1-12 ', die bei normalen Digital-Änalog-Umsetzungen nicht unbedingt erforderlicli is-fc„ wird jedoch für diese

FR -97? 005

spezielle Anwendung auf dem Modul mit vorgesehen, um die Verwendung für den betrachteten Analog-Digital-Umsetzer ohne Veränderung der Moduln zu ermöglichen.

I
In der nachstehenden Tabelle sind die Analogwerte angegeben, die den Eingabewerten im Falle eines Zweierkomplementcodes entsprechen, wobei angenommen wird, daß die Elementarstromeinheit für das gerxngstwertige Bit eine Spannung von • 0,635 mV bildet.

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iVorzei- i chenbit	Bit 1	Bit 2	Bit 3	Bit 4	Bit 5	Bit 6	Bit 7	Bit 8	Bit 9	Bit 10	Bit 11	Bit 12	Bit 13.	Zahl der Stromein^-	Ausgangs spannung ·■·■	j
i	1.	1	1											he'i't'ew ' ^:		mVi
! ο	1	1	1.	1.	1 .	.1. ".	.1.	. 1 .	1 ,	. 1		,1		1	_v	"mV!
ι ο	1	1	1												REP ■■;■■■■
	1 ,	.1. .	1 .	. 1. . .	.1	, . .1	. .1 .	. .1. . .	. .0. . .		2. . , .".
j , 0	.1.	. 1	1	1.	1	1						REF
				. . .1 .	. O .	.1. . .		3,. .". .	V_REF '.-."I¹.,3.7.

1.

.1 .1 . .0.

⁴ V_:REF - .1,9.0. . mV

0	0	0	0	O	O	O.	O	O	O.	O	1	O.	Z^iA	.-. 2.	. . .+. 1	,27. mV
0	0	Q	0	.0	O	O	O	Q	O	O	O	1	2¹²	- 1	.+. O	,.63.5. mV
0	0	0	0	O	O	O	O	O	O	O	O	O	2¹²		O	V
1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	₂12	+ 1	- O	,6.35 mV
1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	O	2¹²	+. 2.	. -. 1	,27 mV
1	1	1	1	1	1.	1	1	1	1	1	O	1	2¹²	+. .3.		,90 . mV

1	0	0	.0	O	O	O	O.	O	.0	.0.	1 .	.0	2¹³	.-. 2	■ ~^VREF⁺	0,63.5 mV
1	O	O	0	O .	O	Q	O .	.0	O.	. Q	. . O	. . .1	. 2¹³	- 1	-Vref
. . .1. . .	.0.	. 0. .	. 0. .	. O. .	.0	. O. .	.0. . .	O	. .0.	.0	. O. .	. . .0 .	2¹³			0.,.6.3.5. mV

283773Q

Bei der voranstehenden Beschreibung der Fig. 9 wird das inverse Vorzeichen den Durchlaß- und Sperrsteuerungen der Moduln 901 bzw. 902 zugeführt. Ganz offensichtlich können die Schaltkreise zur Durchführung der Vorzeicheninversion mit auf dem Modul untergebracht werden, womit dann die Vorzeichensignale direkt der Durchlaß- und der Sperrsteuerung zuführbar sind.

Wenn die entsprechenden Inverter auf dem Modul mit untergebracht werden, dann müssen natürlich die Pegel, die dem Modul zur Aktivierung der Durchlaß- oder Sperrsteuerung zuführt werden, gerade umgekehrt zu denen sein, die in der Beschreibung der Figuren 4 und 5 angegeben wurden.

Der Umsetzer wurde für die Umsetzung von 12 Bits langen Wörtern beschrieben; es ist natürlich auch möglich, den Aufbau so zu gestalten, daß allgemein N Bits lange Wörter umsetzbar sind. Zu diesem Zwecke muß die Gesamtzahl der gewichteten Stromquellen angepaßt werden und die Zahlen η und m der Quellen in der ersten und in der zweiten Gruppe müssen dann entsprechend so gewählt werden, daß bei ausreichender Genauigkeit möglichst günstige äußere Dimensionen erzielbar sind.

Zusammenfassung;

Es wurde ein in monolithischer Technik realisierbarer Digital-Analog-Umsetzer mit N Stromquellen beschrieben, welche gewichtete Ströme zugeordneten Schaltgliedern zuführen, die ihrerseits die gewichteten Ströme entweder auf eine Ausgabesummierleitung oder auf eine Ableitung unter Steuerung der Bits des eingegebenen umzusetzenden Worts leiten. Die vorgesehenen Paare von Stromquellen und Schaltgliedern sind in zwei Gruppen mit unterschiedlichem Aufbau unterteilt.

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9098U/068P

Claims

PATENTANSPRÜCHE

(iy Digital-Analog-Umsetzer für N Bits lange Wörter mit N gewichteten, abgestuften Stromquellen und diesen zugeordneten Schaltgliedern, die ihrerseits durch jeweils ein Bit des umzusetzenden Digitalworts gesteuert werden und den Strom der zugeordneten Quelle in Abhängigkeit vom Binärwert des steuernden Bits entweder zu einer Ausgangssummierleitung oder zu einer Ableitung richten,

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) eine erste Gruppe (4-1) gewichteter Stromquellen erster Ausführungsart mit einer ersten Leitquelle

(5) und η von dieser abhängigen, abgestuften Stromquellen (1-1 bis 1-5) für die höherwertigen η Bitstellen sowie einer zusätzlichen, ebenfalls von der ersten Leitquelle (5) abhängigen Strom- . quelle (6) für die Ankopplung einer nachfolgenden zweiten Stromquellengruppe;

b) eine zweite Gruppe (4-2) gewichteter Stromquellen zweiter Ausführungsart mit einer zweiten Leitquelle (7) und m von dieser abhängigen, abgestuften Stromquellen (1-6 bis 1-12) für die niedrigerwertigen m Bitstellen,

wobei N = n+m ist;

c) eine erste Gruppe von η Schaltgliedern (2-1 bis 2-5) erster Ausführungsart, die jedes einer der η Stromquellen (1-1 bis 1-5) erster Ausführungsart zugeordnet sind-,

wobei die Schaltglied-Stromeingänge (über 20 1-1 bis 20 1-5) mit den Ausgängen der zugeordneten j Stromquellen (1-1 bis 1-5) verbunden sind ^: und für jedes Schaltglied ein erster Ausgang, der zur Analogstrom-Ausgangssummierleitung (14) führt, j

FR 977 005 f. ~ . * « . , ,

S093U/0689

283773Q

und ein zweiter Ausgang, der zur Ableitung (15) führt,

sowie für jedes Schaltglied mindestens ein Steuereingang (403-1 bis 403-5), dem jeweils ein höherwertiges Bit des umzusetzenden Digitalworts zugeführt wird, vorgesehen sind;

d) eine zweite Gruppe von m Schaltgliedern (2-6 bis 2-12) zweiter Ausführungsart, die jedes einer der m Stromquellen (1-6 bis 1—12) zweiter Ausführungsart zugeordnet sind,

wobei die Schaltglied-Stromeingänge (über 20 1-6 bis 20 1-12) mit den Ausgängen der zugeordneten Stromquellen (1-6 bis 1-12) verbunden sind und für jedes Schaltglied ein erster Ausgang, der zur Ausgangssummierleitung (14) führt, und ein zweiter Ausgang, der zur Ableitung (15) führt, sowie für jedes Schaltglied mindestens ein Steuereingang (503-6 bis 503-12), dem jeweils ein niedrigerwertiges Bit des umzusetzenden Digitälworts zugeführt wird, vorgesehen sind;

e) ein Bezugsspannungsgenerator (17 und 801 bis 804) ! für eine stabilisierte Bezugs spannung (V„_F) ;

f) erste Kalibrierschaltkreise (8, 12 und 601 bis 624)

zwischen dem Ausgang des Bezugsspannungsgenerators ι und (über 20-5) dem Eingang der ersten Leitquelle

wobei über diese ersten Kalibrierschaltkreise in

Abhängigkeit von der Bezugsspannung (V„_F) der ! ersten Leitquelle (5) ein erster kalibrierter Strom zugeführt wird;

g) zweite Kalibrierschaltkreise (9 und 701 bis 722), denen einerseits die Bezugs spannung (V^,-,) und

andererseits von der ersten Leitquelle (5) über j die abhängige Stromquelle (6) für die Ankopplung

FR 977 005

_ 3 - 2637730

der nachfolgenden Stromquellengruppe (4-2) ein vom ersten kalibrierten Strom abhängiger zweiter kalibrierter Strom zugeführt wird, wobei dieser zweite kalibirierte Strom der durch ein gegebenes Vielfaches von 2 geteilte erste kalibrierte Strom ist.
2. Umsetzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sein Ausgang einen Summierwiderstand (R3) zwischen der Ausgangssummierleitung (14) und dem Bezugsspannungsgenerator (17)

sowie einen Ableitungswiderstand (R4) zwischen der Ableitung (15) und dem Bezugsspannungsgenerator (17) aufweist,

wobei an der Verbindung zwischen dem Summierwiderstand (R3) und der Ausgangssummierleitung (14) die analoge Umsetzerausgangsspannung abnehmbar ist.
3. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß seine ersten Kalibrierschaltkreise (8, 12) mindestensi einen Kalibrierwiderstand (R1) aufweisen, der zwischen | dem Ausgang des Bezugsspannungsgenerators (17) und einem Schaltkreis (12) angeordnet ist, der faktisch Erdpotential zur Verfügung stellt, wobei dieser Schaltkreis (12) drei Anschlußpunkte aufweist,

einen ersten geerdeten,

einen zweiten für den mindestens einen vorgesehenen Kalibrierwiderstand (R1) und

einen dritten (20-5) für die Abgabe des erzeugten ersten kalibrierten Stroms zur ersten Leitquelle (5).

^{FR 977} °⁰⁵

.
4. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

¹ gekennzeichnet, ! daß seine zweiten Kalibrierschaltkreise (9) für die

Kalibrierung der Stromquellen (1-6 bis 1-12) der zweiten Gruppe (4-2) drei Anschlüsse aufweisen, einen ersten für den Anschluß an den Bezugsspannungsgenerator (17),

einen zweiten für die Zuführung des Leitstromes von der Ankopplungs-Stromquelle (6) in der ersten Strom-

: quellengruppe (4-1) und

einen dritten für die Weitergabe des kalibrierten Leit-

^; stromes zur zweiten Leitquelle (7).

5. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch

i gekennzeichnet,

ι daß die Stromquellen (1-1 bis 1-5) der ersten Gruppe

(4-1) aus identisch aufgebauten Zellen in Darlington-

J Anordnung bestehen,

j wobei die Zahl der pro Stromquelle parallel vorgesehenen

j Zellen den seitens der einzelnen Stromquellen abgegebenen

! Strom definiert.

5. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Stromquellen (1-6 bis 1-12) der zweiten Stromquellengruppe (4-2) aus vorgegebenen Zahlen identisch aufgebauter paralleler Zellen bestehen, deren jede Zelle nur einen Transistor in einfacher Anordnung aufweist. ^:

1. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, :

daß η = 5 und m = 7 gewählt ist. ;

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öoseu/ößae

8. Umsetzer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, : daß die zweite Leitquelle (7) mehrere identische Zellen
(301 bis 308) aufweist,

daß die ersten Stromquellen (1-6, 1-7, 1-8) der zweiten , Stromquellengruppe (4-2) ebenfalls aus identischen
Zellen bestehen, deren Anzahl pro Bitstelle im Verhältnis 2:1 abnimmt, und

daß die restlichen Quellen (1-9 bis 1-12) der zweiten
Gruppe (4-2) jeweils aus einer einzigen Zelle bestehen
und dazu ein Stufennetzwerk (332 bis 335) für die Wich- '-. tung der abzugebenden niedrigstwertigen Ströme vorgesehen ist.

9. Umsetzer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ■ gekennzeichnet,

daß für die Schaltglieder (2-1 bis 2-12) zwei zusätzliche gemeinsame Vorkehrungen in Form einer Durchlaß- i steuerung und einer Sperrsteuerung vorgesehen sind,
die die Durchgabe der Ströme sämtlicher Stromquellen
(1-1 bis 1-12) des gesamten Umsetzers entweder zur Aus- = gangssummierleitung (14) oder zur Ableitung (15) zu >

i richten gestatten, j

völlig unabhängig von den den einzelnen Digitaleingängen )

(403, 503) des Umsetzers zugeführten Bitwerten. !

10. Umsetzer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, j _; daß sämtliche Schaltglieder (2-1 bis 2-12) ihren Strom- j

eingang (20 1-1 bis 20 1-12) nach jeweils einer von
: drei Richtungen durchzuschalten gestatten,
: einer ersten oder einer zweiten Richtung, die zur Ab-
^: leitung (15) führen, oder nach einer dritten Richtung,

die zur Ausgangssummierleitung (14) führt,

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SÜ98U/06I9

wobei eine Durchschaltung nach der dritten Richtung erfolgt, wenn entweder dem Schaltglied einer betrachteten Bitstelle (Bit 1 bis Bit 12) ein erster Bitpegel (¹¹O") oder der allen Schaltgliedern gemeinsam vorgesehenen Durchlaßsteuerleitung (413) ein Aktivierungssignal gleichen ersten Pegels zugeführt wird, und andererseits eine Durchschaltung nach der ersten Richtung erfolgt, wenn dem Schaltglied einer betrachteten Bitstelle allein ein zweiter Bitpegel ("1") zugeführt wird.

11. Umsetzer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

daß sämtlichen Schaltgliedern (2-1 bis 2-5) der ersten Gruppe (4-1) ein gemeinsamer Sperreingang (über Transistor 421) vorgesehen ist,

wobei eine Durchschaltung dieser Schaltglieder nach der zweiten Richtung, die zur Ableitung (15) führt, dann erfolgt, wenn ihrem gemeinsamen Sperreingang ein Aktxvxerungssignal zugeführt wird.

12. Umsetzer nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet,

daß sämtlichen Schaltgliedern (2-6 bis 2-12) der zweiten Gruppe (4-2) ein gemeinsamer Sperreingang (über Transistor 511) vorgesehen ist,

wobei eine Durchschaltung dieser Schaltglieder nach der zweiten Richtung, die zur Ableitung (15) führt, dann erfolgt, wenn ihrem gemeinsamen Sperreingang ein Aktxvxerungssignal zugeführt wird.

13. Umsetzer nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaltglieder (2-1 bis 2-12) für die Durchschaltung nach der ersten oder zweiten Richtung mindestens je einen Transistor (422, 427, 522, 527) aufweisen .

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9098U/06M

14. Umsetzer nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaltglieder (2-1 bis 2-5) der ersten Gruppe (4-1) für die Durchschaltung nach der dritten Richtung je eine Darlington-Anordnung (423 bis 426 und 428) aufweisen.

15. Umsetzer nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet,

daß die Schaltglieder (2-5 bis 2-12) der zweiten Gruppe (4-2) für die Durchschaltung nach der dritten Richtung mindestens je einen Transistor (530) aufweisen.

16. Umsetzer nach einem der Ansprüche 1O bis 15, dadurch gekennzeichnet,

daß die in den einzelnen Schaltgliedern (2-1 bis 2-12) vorgesehenen Schaltersteuerkreise die folgenden Merkmale aufweisen:

a) eine erste Hilfsstromquelle (404, 406; 504, 506), die einen Steuerstrom für das Schaltglied liefert;

b) ein erstes Ventil (412, 512) zwischen der ersten Hilfsstromquelle und dem Anschluß (403, 503) für die Eingabe des jeweils anstehenden Bitwerts, wobei der Steuerstrom abgeleitet wird, wenn das erste Ventil durch Anlegen eines geeigneten Bitpegels geöffnet ist;

c) ein zweites Ventil (414, 514) zwischen der ersten Hilfsstromquelle und der gemeinsamen Durchlaß-Steuerleitung (413), wobei der Steuerstrom abgeleitet wird, wenn das zweite Ventil durch Anlegen eines geeigneten Durchlaß-Steuerpegels geöffnet ist;

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9098U/06IÖ

d) eine erste Pegelverschiebe-Schaltungsanordnung j (401, 501) in Verbindung mit der ersten Hilfξι stromquelle und dem ersten und zweiten Ventil,

wobei an dieser ersten Pegelverschiebe-Schaltungsanordnung ein Steuerpegel für die Durchschaltung ' des zugehörigen Schaltglieds in der ersten oder ; dritten Richtung abnehmbar ist.

17. Umsetzer nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch ; gekennzeichnet,

ds:ß für die erste und für die zweite Schaltgliedgruppe j (4-1, 4-2) je ein gemeinsamer Steuerkreis vorgesehen | ist, der die folgenden Merkmale aufweist:

a) ' eine zweite Hilfsstromquelle (416, 417; 516, 517),

die einen Steuerstrom für die zugehörige Schaltgliedgruppe liefert;

b) ein drittes Ventil (421, 511) zwischen der zweiten Hilfsstromquelle und dem Anschluß für die Eingabe eines Sperrsignals, wobei dieser Steuerstrom abgeleitet wird, wenn das dritte Ventil durch Anlegen eines geeigneten Sperr-Steuerpegels geöffnet ist; ^!

c) eine zweite Pegelverschiebe-Schaltungsanordnung (402, 502) in Verbindung mit der zweiten Hilfsstromquelle und dem dritten Ventil, wobei an dieser zweiten Pegelverschiebe-Schaltungsanordnung ein Steuerpegel für die Durchschaltung der angeschlossenen Schaltglieder in der zweiten Richtung abnehmbar ist.

18. Verwendung des Digital-Analog-Umsetzers nach einem der j vorangehenden Ansprüche für einen Analog-Digital-Umsetzer

der Ausführungsart mit schrittweiser Näherung,

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mit einem 17ergleicher für das zugeführte, umzusetzende Γ Signal, einem Bezugspegelgenerator, dessen jeweilige

Äusgangspegel aufeinanderfolgend mit dem Amplituden- j

wert des umzusetzenden Signals verglichen werden, j

dadurch gekennzeichnet, '

daß diese Bezugspegel durch zwei Digital-Analog-Umsetzer ·■ nach einem der vorangehenden Ansprüche erzeugt werden,

daß die Durchlaß- und Sperrsteuerung des ersten Digital- \

Analog-Umsetzers (901) inaktiv gehalten und die Sperr- : steuerung des zweiten Digital-Analog-Umsetzers (902)
aktiviert werden,

wenn ein positiver Digitalwert den Eingängen der beiden \

Digital-Analog-Umsetzer zugeführt wird, und ,

daß die Durchlaßsteuerung des ersten Digital-Analog- !

Umsetzers (901) aktiviert und die Durchlaß- und Sperr- ΐ

steuerung des zweiten Digital-Analog-Umsetzers (902) , inaktiv gehalten werden,

wenn ein negativer Digitalwert den Eingängen der beiden

Digital-Analog-Umsetzer (901, 902) zugeführt wird. !

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